Baubericht eisenloser Ringgenerator, Großversion

[CFD]

Da die induzierte Spannung, wie weiter oben schon mal geschrieben, direkt proportional zur magnetischen Flussdichte ist, erhält mam diese durch Multiplikation der aufsummierten radialen Komponente der magnetischen Flussdichte (aus den obigen Diagrammen) mit einer drehzahlabhängigen Konstanten. Das Ergebnis entspricht dem Spannungsverlauf des unbelasteten Generators.

Die Formel für die Konstante ist:
Konstante = 2 * Pi * f_n * r * l
f_n = Drehzahl des Rotors (1/s)
r = Radius des Rotors (m), (ganz Korrekt: Radius der Leiter)
l = Länge des Leiters eines Spulenschenkels, der vom Magnetfeld durchsetzt wird (m). Bei mehreren Windungen nur die Länge einer Windung! (In den obigen Diagrammen wurde die Summe der Flußdichte schon mit einem Faktor 2 für zwei Spulenschenkel multipliziert. Deshalb ist nur die Leiterlänge eines Spulenschenkels einzusetzen. Bei einem 40x40-Magneten und 2mm Luftspalt sind dies ca. 44mm + 44mm + 44mm = 132mm = 0,132m)

Das Maximum (Peak) der induzierten Spannung berechnet sich dann wie folgt:
U_ind = Konstante * B_rad_summe
B_rad_summe = Summe der auf die einzelnen Leiter (Spulenschenkel 1 und 2) wirkende radiale Kompopnente der magnetischen Flussdichte (Tesla). Zu entnehmen aus den obigen Diagrammen.
U_ind = Induzierte Spannung (V)

Nachfolgend eine Beispielrechnung:
Anwendungsgebiet: Direkt an der Kurbelwelle eines Dieselmotors angeflanschter Rotor ohne eigene Lagerung als Generator für ein BHKW.
Drehzahl: 1500 U/min
Rotor: Außendurchmesser = 600mm, 48 Magnete 40x40x15
Spule: 5 Breit - 2 Hoch = 10 Windungen (24 Stück)

Konstante = 2 * 3,14 * 25 * 0,3 * 0,132 = 6,2
Aus Diagramm abgelesen für Spule B05xH02: B_rad_summe = 6 Tesla

U_ind = 6,2 * 6 = 37,2 V
24 Spulen: U_ind_24 = 24 * 37,2 V = 893 V

Nicht schlecht für das bischen Magnetmaterial und Kupfer ganz ohne teures Weicheisen! Und der Wirkungsgrad des Generators dürfte dabei wahrscheinlich 99% betragen?

[Bernd]

Hallo CFD und vielen Dank für deinen aussergewöhnlichen Einsatz für diesen spannenden Generatortyp.
Deine neuen Grafiken sind wirklich klasse. Sie bringen Licht in die unlinearen Verhältnisse beim
Ringgenerator.

Schön kann man erkennen das oberhalb von 16 - 17er Spulenbreite kein weiterer Gewinn mehr entsteht,
im Gegenteil. Durch die dann entstehende Verschlankung der Amplitudenform geht die Leistung sogar
zurück. Spätestens bei einer 17er Breite bringt weitere Verbreiterung nichts mehr und ist sogar kontrakproduktiv.

Was man aus den Grafiken heraus durch Schätzung beurteilen kann ist der Inhalt des Hüllvolumens einer Amplitude.
Hier scheint sich ein optimales Verhältnis bei einer 3er bis 4er Höhe und einer 12er bis 14er Breite einzustellen.
Das deckt sich recht gut mit dem rechnerisch nötigen Kupfervolumen um auch den Innenwiderstand in
Grenzen zu halten.

Es scheint sich also abzuzeichnen das eine Spulenbreite so breit wie der Magnetabstand bis ca.
10% mehr eine gute Wahl sind.
Bei der Höhe sind die ersten Millimeter "die besten", aber auch bis ca. 10mm Abstand von der Magnetkante
ist der zusätzliche Spannungsgewinn noch relativ hoch. Es deckt sich auch mit der von mir schon vor längeren
geäusserten Einschätzung " Spulenschenkeldicke bis ca. 1/4 Magnetdurchmesser ".

Grüsse

Bernd

[Bernd]

Zu deiner Beisspielrechnung möchte ich noch etwas ergänzen.
Du nanntest 24 Spulen mit je 10 Windungen, gucken wir mal was dieser Beispielgenerator
dann für einen Innenwiderstand hätte.

10 Windungen mit 3,14mm² Kupferdraht = (10 mal 38cm mal 0.0178) durch 3,14 = 3,8m mal
0,0178 durch 3,14 = 0,0215 Ohm pro Spule

24 Spulen mit 0,0215 Ohm hätten zusammen 0,52 Ohm
Der Beispielgenerator liefert also (als 1 Phasenmodell) bei 1500 U/min 893 Volt und weist einen
Innenwiderstand von ca. 0,5 Ohm auf, das sind extremst gute Zahlen, allerdings auch bei
1500 U/min bzw. ca. 25 U/sek und ist damit nicht mit den Zahlen als sehr langsam drehender,
direkt angetriebener Windradgenerator vergleichbar, wofür er ja eigentlich konzipiert wude.

Nunja rechnen wir trotzdem mal weiter.
Wenn wir diesem Generator dann 10 A entnehmen würde, dann ergäbe sich eine Leistung von P = U mal I
= 893 mal 10 = 8930 Watt bzw 8,93 kW, das ist ja schonmal alles andere als wenig.
Die Verluste am Innenwiderstand der Spule betragen bei dieser Leistungsentnahme dann 10 A mal 0,5 Ohm = 5 Volt.
Diese 5 Volt dann mal den fliessenden Strom von 10 A = 50 Watt Verlustleistung und das
bei 8,9 kW Abgabeleistung !! Das macht eine Verlustleistung von ca. 0,56 %, oder anders gesagt
unter Vernachlässigung anderer Verluste einen Wirkungsgrad von 99,44 %, und das bei Volllast, unglaublich.

Nochmal weiter gesponnen:
Wieviel Verlustleistung würde der Spulenring wohl vertragen ? Schwer zu sagen aber ich denke das
man ihm aufgrund seiner gut positionierten und grossen Kühloberfläche sicher 500 Watt Verlustleistung
zumuten könnte, vielleicht auch noch mehr, zumal bei dieser Drehzahl sehr viel Luft durch die Spulen blasen würde.
Das würde dann zur Folge haben das sich die Abgabeleistung bei 500 Watt Verlusten mehr als verdreifacht !
32 A und 0,5 Ohm ergeben 16 A. Diese 16 Volt mal 32 A wären 512 Watt Verlustleistung.
Bei 32 A erhalten wir also ca. 512 Watt Verlustleistung am Innenwiderstand der Spulen.

In unserem 1500 U/min Beispiel könnte man also bei 512 Watt Verlusten unglaubliche über 28 kW aus dem
Ding heraus holen. Der Wirkungsgrad läge dann immer noch bei ca. 98,2 % !!
Klingt zu schön und nach Rechenfehlern ? Gut die Rechnung lässt induktive Grössen und deren Verluste
unberücksichtigt, ebenso Verlsute durch Reibung in den Lagern, Wirbelstromverluste so wie die Reibung der
schnell drehenden Magnetscheibe an der Luft, aber trotzdem, das Ergebnis ist kaum zu glauben, rechnet selber nach.

Leider liegen die Zahlen bei "windradüblichen" Drehzahlen eher in normalen Regionen.

Grüsse

Bernd

[finn]

wenn das in der realität genauso wird, brauchst du "nur" noch n riesen windrad, nen großen energiespeicher (z.B. Redox-Flow-Batterie, an denen unter anderem die Fraunhofer Gesellschaft forscht) und du kannst den energieversorgern n dicken fetten ausgedruckten schicken ^^

[Flo Celle]

@ CFD und Bernd

Ich danke euch für euren echt großartigen einsatz der vortschitt in einen wircklich selbst herzustellenden generator ist kaum noch auf zu halten !!! großartige sache!!!!! !!!!

Gruß flo

[andreas]

Hallo Allerseits,

ich habe den dummen Eindruck, daß an euren Zahlenspielen irgend etwas nicht stimmt. Allein die 6 Tesla in der Rechnung halte ich für ein wenig zu hoch. Selbst in Doppelscheiben-Generatoren hantiert man gewöhnlich mit Werten von um 1 T, daher kommt mir der Wert hier unwahrscheinlich vor.

MfG. Andreas

[Bernd]

Ja die angegebenen Leistungen klingen unglaublich und ich freue mich das auch mal jemand
Skepsis äussert.
Die 6 Tesla sind aber nicht der magnetische Fluss an der Position eines Drahtes, sondern die aufsummierten
radialen Komponenten des Flusses bezogen auf eine konkrete Spule, hier mit 10 Windungen in zwei
Lagen a 2mm Höhe. Da wird die Anzahl der Windungen, die Schenkelbreite und ihr Abstand vom Magneten mit bewertet.
Bisschen schwer zu verstehen, aber anders kann man es nicht machen bei so vielen unlinearen Variablen und
einem so inhomogenen Magnetfeld. Der aufsummierte Fluss ist also für jede Spulenform/Grösse eine anderer.
Da muss man tatsächlich für jeden Draht und für jede Position Einzelwerte errechnen und dann aufsummieren.
Der maximale Fluss, an einer bestimmten Position 2mm über dem Magneten beträgt ca. 0,8 Tesla, ersichtlich
aus der obersten Grafik die in der untersten Kurve die Verhältnisse für einen einzelnen Draht wiedergeben.

So ergeben sich dann in CFDs Beispiel 893 Volt bei 1500 U/min oder auch 8,93 Volt bei 15 U/min.
Dieser "Beispielgenerator" hat 24 Spulen und nur eine Phase, das macht dann pro Spule nur noch
ca. 0,37 Volt bei 15 U/min. Wenn man es mal so betrachtet erscheinen die Werte wieder ganz "normal".

Es ergeben sich nur "Traumwerte" wegen der hohen angenommenen Drehzahl, die mein Generator schon rein
mechanisch nicht aushalten würde, denn bei 1500 U/min zerren an einem einzigen Magneten ca. 125 Kg.
Da müsste man den Aufbau mechanisch anders lösen wenn man so hoch drehen wollte.
Die elektrischen Werte die errechnet wurden sollten aber stimmen.

Grüsse

Bernd

[andreas]

Hallo Bernd,

Du hast meine Zweifel an dieser Stelle ausräumen können. Danke!

MfG. Andreas

[klingei]

Hallo Bernd

Ich hab noch eine Frage bezüglich der Auslöschung bei einem Nulldurchgang.
Wenn die Spule so breit ist, dann müsste doch bei einem Nulldurchgang an einer Seite der Spule eine positive und an der anderen Seite eine negative Spannung entstehen. Gemeinsam ergeben sie Null. Am Oszilloskop sieht man also einen Nulldurchgang.
Was ist mit dieser Energie? Die müsste doch auch Mechanisch aufgewendet werden.
Mich würde mal interessieren wie stark dieser Effekt ist.

Gruß Klingei

[Bernd]

Was ist mit dieser Energie? Die müsste doch auch Mechanisch aufgewendet werden.

Leistung entsteht wenn Strom fliesst.
Da sich hier die Spannungen gegenseitig aufheben kommt kein Stromfluss zu standen.
Ergo muss auch keine Energie zugeführt werden.

Grüsse

Bernd